CN101912320A - 含柔性动力踝关节和脚趾关节的动力膝下假肢 - Google Patents

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本发明涉及一种含柔性动力踝关节和脚趾关节的动力膝下假肢，其特征在于：它包括踝关节运动机构和脚趾关节运动机构，踝关节运动机构包括后脚掌、踝关节支撑架、小腿挡板和踝关节电机；踝关节支撑架固定在后脚掌上部，其上端与踝关节轴连接架铰接，踝关节轴连接架固连在两小腿挡板之间；踝关节电机固连在两小腿挡板之间，其输出端通过联轴器固连踝关节丝杠的一端，该丝杠的另一端通过踝关节弹簧机构与后脚掌连接；脚趾关节运动机构包括前脚掌和脚趾关节电机，前脚掌与后脚掌铰接，脚趾关节电机与后脚掌固连；脚趾关节电机的输出轴通过联轴器与脚趾关节丝杠的一端固连，该丝杠的另一端与脚趾丝杠固定架铰接；脚趾关节丝杠通过脚趾关节弹簧机构与前脚掌连接。本发明可广泛应用于假肢柔性动力关节的研究，服务于残疾人事业。

Description

含柔性动力踝关节和脚趾关节的动力膝下假肢
技术领域
本发明涉及智能仿生机械技术领域，特别是关于一种基于主被动运动方式相结合的含柔性动力踝关节和脚趾关节的动力膝下假肢。
背景技术
每年因为各种自然灾难、疾病及交通事故造成下肢截肢的残疾人数以万计。这些残疾人因下肢截肢而丧失了工作能力，甚至生活不能自理。为了恢复他们的工作能力，改善他们的生活质量，他们急需要安装人工假肢。
然而，目前膝下假肢的水平仍旧十分落后。传统膝下假肢只是从形状上简单地模仿人的下肢，其踝关节均是固定的或只能在很小的角度范围内被动弯曲转动的。这样的假肢虽然在一定程度上改善了截肢患者的生活质量，但是由于其不能像健康人的踝关节和脚趾关节一样在行走时向人提供动力，所以截肢患者在穿着传统膝下假肢行走时非常吃力，步态很不自然。据研究统计，截肢患者穿戴传统膝下假肢的行走速度比正常人慢了30-40％，以相同速度行走时消耗的能量比正常人多20-30％。而且，传统膝下假肢的脚掌均是固定的一个整体，均没有脚趾关节，这样不仅降低了残疾人行走时的能量效率，也影响了他们步态的协调性和自然性。同时，传统膝下假肢的关节都不具有像人一样的柔性。人的踝关节和脚趾关节由于具有柔性，不但提高了人行走时能量的利用效率，还使其能在崎岖复杂的路面上行走。因此具有柔性动力的踝关节和脚趾关节的动力膝下假肢，成为最迫需求的新型膝下假肢。
膝下动力假肢设计的最大难点是动力关节的设计。膝下动力假肢的动力关节既要像人的关节一样具有柔性，又要能为人提供足够大的动力，同时还要在体积和重量上和人的关节相仿，因此对关节的动力驱动器提出了很高的要求。目前，传统的动力驱动器主要有电机、液压和气压三种驱动器。这三种驱动器虽然各有优点，但是都不能满足对动力、柔性和精度要求都很高的膝下动力假肢的要求。电机虽然有很高的控制精度，但是不能瞬间提供巨大扭矩，且电机的柔性及抗冲击能力差。液压和气压驱动器虽然具有一定的柔性，并且能够瞬时提供巨大扭矩，但是控制精度低，噪音大，体积大。因此需要设计新型的柔性动力结构，使假肢的关节的功能和尺寸和人的关节最大程度的相似。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于主被动运动方式相结合的含柔性动力踝关节和脚趾关节的动力膝下假肢。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种含柔性动力踝关节和脚趾关节的动力膝下假肢，其特征在于：它包括踝关节运动机构和脚趾关节运动机构两个部分，所述踝关节运动机构包括一后脚掌、一踝关节支撑架、两小腿挡板和一踝关节电机；所述踝关节支撑架固定连接在所述后脚掌上部，所述踝关节支撑架的上端通过一踝关节轴与一踝关节轴连接架的下端铰接，所述踝关节轴连接架的上端固定连接在两所述小腿挡板之间；所述踝关节电机通过一踝关节电机连接机构固定连接在两所述小腿挡板之间，所述踝关节电机的输出端通过一踝关节联轴器固定连接一踝关节丝杠的一端，所述踝关节丝杠的另一端通过一踝关节弹簧机构与所述后脚掌连接；所述脚趾关节运动机构包括一前脚掌和一脚趾关节电机，所述前脚掌通过一脚趾关节轴与所述后脚掌铰接，所述脚趾关节电机的机身与所述后脚掌固定连接；所述脚趾关节电机的输出轴通过一脚趾关节联轴器与一脚趾关节丝杠的一端固定连接，所述脚趾关节丝杠的另一端与一固定连接在所述后脚掌前端上部的脚趾丝杠固定架铰接；所述脚趾关节丝杠通过一脚趾关节弹簧机构与所述前脚掌连接。
所述踝关节电机连接机构包括两踝关节电机连接架和一踝关节电机固定架，两所述踝关节电机连接架分别固定连接在两所述小腿挡板的外侧，所述踝关节电机固定架通过一踝关节电机铰接轴铰接在两所述踝关节电机连接架之间，所述踝关节电机固定架与所述踝关节电机的机身固定连接。
所述踝关节弹簧机构包括一踝关节弹簧丝杠连接架、一踝关节弹簧连接柱、若干踝关节弹簧和一踝关节弹簧固定柱；所述踝关节弹簧丝杠连接架的一端与所述踝关节丝杠旋转配合，另一端与所述踝关节弹簧连接柱固定连接；所述踝关节弹簧固定连接在所述踝关节弹簧连接柱和踝关节弹簧固定柱之间，所述踝关节弹簧固定柱通过一踝关节弹簧铰接轴与一踝关节弹簧铰接架铰接，所述踝关节弹簧铰接架固定连接在所述后脚掌的后端上部。
所述脚趾关节弹簧机构包括一旋转连接在所述脚趾关节丝杠上的脚趾关节丝杠弹簧连接架，所述脚趾关节丝杠弹簧连接架上固定连接一脚趾弹簧的一端，所述脚趾弹簧的另一端固定连接一脚趾弹簧固定架，所述脚趾弹簧固定架与所述前脚掌固定连接。
两所述小腿挡板的上端固定连接一小腿连接架和一接收腔连接架，所述接收腔连接架与接收腔固定连接，所述接收腔与截肢患者的小腿残肢连接。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用了主被动运动结合的方式，可以通过控制电机和弹簧机构充分利用残疾人行走时的重能、动能和惯性，从而使此动力膝下假肢可以很好的提高能量效率。同时，当电量不足电机不能运转时，此动力膝下假肢可以和传统被动假肢一样正常工作。2、本发明由于采用全新设计实现的柔性动力关节，使得膝下假肢的各关节具有很好抗冲击能力和柔性动力特性，为应用于复杂路况的运动建立了良好的基础。3、本发明膝下假肢运动控制和动力控制均采用闭环控制，通过多种传感器感知外部信息，使得膝下假肢的运动更准确可靠。本发明可广泛应用于假肢柔性动力关节的研究，服务于残疾人事业。
附图说明
图1是本发明的整体结构平面示意图
图2是本发明的整体结构俯视图
图3是本发明的整体结构左视图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1～图3所示，本发明包括踝关节运动机构和脚趾关节运动机构两个部分，其中踝关节运动机构包括一后脚掌1、一踝关节支撑架2、两小腿挡板3、两踝关节电机连接架4、一踝关节电机固定架5和一踝关节电机6。踝关节支撑架2固定连接在后脚掌1上部，踝关节支撑架2的上端通过一踝关节轴7与一踝关节轴连接架8的下端铰接，踝关节轴连接架8的上端固定连接在两小腿挡板3之间。两踝关节电机连接架4分别固定连接在两小腿挡板3的外侧，踝关节电机固定架5通过一踝关节电机铰接轴9铰接在两踝关节电机连接架4之间，踝关节电机固定架5与踝关节电机6的机身固定连接。踝关节电机1的输出端通过一踝关节联轴器10固定连接一踝关节丝杠11的一端，踝关节丝杠11的另一端通过一踝关节弹簧机构12与后脚掌1连接。踝关节弹簧机构12包括一踝关节弹簧丝杠连接架121、一踝关节弹簧连接柱122、若干踝关节弹簧123和一踝关节弹簧固定柱124。踝关节弹簧丝杠连接架121的一端与踝关节丝杠11旋转配合，另一端与踝关节弹簧连接柱122固定连接。踝关节弹簧123固定连接在踝关节弹簧连接柱122和踝关节弹簧固定柱124之间，踝关节弹簧固定柱124通过一踝关节弹簧铰接轴13与一踝关节弹簧铰接架14铰接，踝关节弹簧铰接架14固定连接在后脚掌1的后端上部。
踝关节运动机构的运动原理是：踝关节电机6通过踝关节联轴器10驱动踝关节丝杠11转动，踝关节丝杠11通过转动带动踝关节弹簧丝杠连接架121上下运动，踝关节弹簧丝杠连接架121驱动与踝关节弹簧连接柱122、踝关节弹簧123和踝关节弹簧固定柱组成的踝关节弹簧机构12，该踝关节弹簧机构12进而通过踝关节弹簧铰接架14、后脚掌1及踝关节支撑架2使整个脚掌围绕踝关节轴7转动。
由于踝关节运动机构中的引入了踝关节弹簧机构12，使踝关节既具有了动力又具有了柔性，并且通过传感器系统和控制算法可以精确的控制踝关节的动力和柔性。
脚趾关节运动机构包括一前脚掌15和一脚趾关节电机16，前脚掌15通过一脚趾关节轴17与后脚掌1铰接，脚趾关节电机16的机身与后脚掌1固定连接。脚趾关节电机16的输出轴通过一脚趾关节联轴器18与一脚趾关节丝杠19的一端固定连接，脚趾关节丝杠19的另一端与一固定连接在后脚掌1前端上部的脚趾丝杠固定架20铰接。脚趾关节丝杠19通过一脚趾关节弹簧机构21与前脚掌15连接。脚趾关节弹簧机构21包括一旋转连接在脚趾关节丝杠19上的脚趾关节丝杠弹簧连接架211，脚趾关节丝杠弹簧连接架211上固定连接一脚趾弹簧212的一端，脚趾弹簧212的另一端固定连接一脚趾弹簧固定架213，脚趾弹簧固定架213与前脚掌15固定连接。
脚趾关节运动机构的运动原理是：脚趾关节电机16通过脚趾关节联轴器18驱动脚趾关节丝杠19转动，脚趾关节丝杠19转动带动脚趾关节丝杠弹簧连接架211左右运动。脚趾关节丝杠弹簧连接架211将拉动脚趾弹簧212，脚趾弹簧212将驱动脚趾弹簧固定架213，进而驱动前脚掌15围绕脚趾关节轴17转动。
需要说明的是：脚趾关节弯曲时不是由脚趾关节电机16驱动的，而是由外力驱动的。当脚趾关节在外力作用下处于弯曲状态时，可以通过控制脚趾关节电机16来驱动前脚掌15围绕脚趾关节轴17逆时针转动并伸直，脚趾弹簧212将储存能量，此时脚趾关节不但具有动力同时可以通过控制脚趾关节电机16来调整脚趾关节的柔性。
上述实施例中，小腿挡板3的上端固定连接一小腿连接架22和一接收腔连接架23，接收腔连接架23与接收腔(图中未示出)固定连接，接收腔与截肢患者的小腿残肢连接。
本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种含柔性动力踝关节和脚趾关节的动力膝下假肢，其特征在于：它包括踝关节运动机构和脚趾关节运动机构两个部分，所述踝关节运动机构包括一后脚掌、一踝关节支撑架、两小腿挡板和一踝关节电机；所述踝关节支撑架固定连接在所述后脚掌上部，所述踝关节支撑架的上端通过一踝关节轴与一踝关节轴连接架的下端铰接，所述踝关节轴连接架的上端固定连接在两所述小腿挡板之间；所述踝关节电机通过一踝关节电机连接机构固定连接在两所述小腿挡板之间，所述踝关节电机的输出端通过一踝关节联轴器固定连接一踝关节丝杠的一端，所述踝关节丝杠的另一端通过一踝关节弹簧机构与所述后脚掌连接；
所述脚趾关节运动机构包括一前脚掌和一脚趾关节电机，所述前脚掌通过一脚趾关节轴与所述后脚掌铰接，所述脚趾关节电机的机身与所述后脚掌固定连接；所述脚趾关节电机的输出轴通过一脚趾关节联轴器与一脚趾关节丝杠的一端固定连接，所述脚趾关节丝杠的另一端与一固定连接在所述后脚掌前端上部的脚趾丝杠固定架铰接；所述脚趾关节丝杠通过一脚趾关节弹簧机构与所述前脚掌连接。
2.如权利要求1所述的含柔性动力踝关节和脚趾关节的动力膝下假肢，其特征在于：所述踝关节电机连接机构包括两踝关节电机连接架和一踝关节电机固定架，两所述踝关节电机连接架分别固定连接在两所述小腿挡板的外侧，所述踝关节电机固定架通过一踝关节电机铰接轴铰接在两所述踝关节电机连接架之间，所述踝关节电机固定架与所述踝关节电机的机身固定连接。
3.如权利要求1所述的含柔性动力踝关节和脚趾关节的动力膝下假肢，其特征在于：所述踝关节弹簧机构包括一踝关节弹簧丝杠连接架、一踝关节弹簧连接柱、若干踝关节弹簧和一踝关节弹簧固定柱；所述踝关节弹簧丝杠连接架的一端与所述踝关节丝杠旋转配合，另一端与所述踝关节弹簧连接柱固定连接；所述踝关节弹簧固定连接在所述踝关节弹簧连接柱和踝关节弹簧固定柱之间，所述踝关节弹簧固定柱通过一踝关节弹簧铰接轴与一踝关节弹簧铰接架铰接，所述踝关节弹簧铰接架固定连接在所述后脚掌的后端上部。
4.如权利要求2所述的含柔性动力踝关节和脚趾关节的动力膝下假肢，其特征在于：所述踝关节弹簧机构包括一踝关节弹簧丝杠连接架、一踝关节弹簧连接柱、若干踝关节弹簧和一踝关节弹簧固定柱；所述踝关节弹簧丝杠连接架的一端与所述踝关节丝杠旋转配合，另一端与所述踝关节弹簧连接柱固定连接；所述踝关节弹簧固定连接在所述踝关节弹簧连接柱和踝关节弹簧固定柱之间，所述踝关节弹簧固定柱通过一踝关节弹簧铰接轴与一踝关节弹簧铰接架铰接，所述踝关节弹簧铰接架固定连接在所述后脚掌的后端上部。
5.如权利要求1或2或3或4所述的含柔性动力踝关节和脚趾关节的动力膝下假肢，其特征在于：所述脚趾关节弹簧机构包括一旋转连接在所述脚趾关节丝杠上的脚趾关节丝杠弹簧连接架，所述脚趾关节丝杠弹簧连接架上固定连接一脚趾弹簧的一端，所述脚趾弹簧的另一端固定连接一脚趾弹簧固定架，所述脚趾弹簧固定架与所述前脚掌固定连接。
6.如权利要求1或2或3或4所述的含柔性动力踝关节和脚趾关节的动力膝下假肢，其特征在于：两所述小腿挡板的上端固定连接一小腿连接架和一接收腔连接架，所述接收腔连接架与接收腔固定连接，所述接收腔与截肢患者的小腿残肢连接。
7.如权利要求5所述的含柔性动力踝关节和脚趾关节的动力膝下假肢，其特征在于：两所述小腿挡板的上端固定连接一小腿连接架和一接收腔连接架，所述接收腔连接架与接收腔固定连接，所述接收腔与截肢患者的小腿残肢连接。
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